§ 25. Элементы ПА-группы

Определения и обозначения

К главной подгруппе II группы периодической системы относятся бериллий Be, магний Mg, кальций Ca, стронций Sr, барий Ba и радий Ra. Группа расположена во втором столбце главных подгрупп; её элементы находятся во 2–7-м периодах. Такое положение связано с одинаковым строением внешнего электронного слоя. По нему можно предсказывать сходные свойства атомов.

Щелочноземельными металлами обычно называют кальций, стронций и барий; магний часто изучают вместе с ними, а радий относят к группе с оговоркой о его радиоактивности. Бериллий в число типичных щелочноземельных металлов обычно не включают. Название связано со свойствами оксидов и гидроксидов этих металлов, часть которых образует щелочные растворы. Это понятие помогает отделить наиболее типичных представителей группы от бериллия.

Валентность II означает, что атом элемента образует две химические связи, а степень окисления +2 — условный заряд атома в соединении при распределении электронов по правилам химической связи. Например, в MgCl₂ магнию приписывают +2, а каждому хлору −1. Это не значит, что любой атом магния всегда является отдельным ионом: в простом веществе Mg его степень окисления равна нулю. Различие понятий помогает правильно описывать состав веществ.

Оксид щелочноземельного металла — соединение металла с кислородом, например CaO. Гидроксид состоит из иона металла и гидроксид-ионов OH⁻, например Ca(OH)₂. Если металл обозначить буквой M и учесть его заряд +2, типичные формулы имеют вид MO и M(OH)₂. Эти два класса соединений помогают проследить, как меняется химический характер элементов группы.

Как это устроено

Внешний электронный слой атомов элементов группы имеет строение ns²: буква n обозначает номер энергетического уровня, а верхний индекс 2 — число электронов на нём. Отдав два электрона, атом получает заряд +2; поэтому в соединениях для группы характерна эта степень окисления. Число группы в данном случае связано с количеством внешних электронов, но не является зарядом атома. В простом веществе каждый атом электрически нейтрален.

Сверху вниз в группе добавляются электронные уровни, поэтому внешние электроны располагаются всё дальше от ядра. Внутренние электроны частично ослабляют притяжение ядра к внешним, и отдать их становится легче. По этой причине радиус атома растёт, а химическая активность металлов в целом увеличивается. Это закономерность группы, хотя скорость отдельных реакций зависит и от условий.

Бериллий заметно отличается от более тяжёлых элементов прежде всего малым размером атома. Его внешние электроны удерживаются ядром сильнее, поэтому бериллий менее активен; его оксид и гидроксид амфотерны, то есть могут реагировать и с кислотами, и со щелочами. У магния и более тяжёлых представителей оксиды и гидроксиды проявляют преимущественно основные свойства. Поэтому бериллий не стоит считать просто уменьшенной копией кальция или бария.

С кислородом металлы образуют оксиды: например, магний при нагревании горит ярким светом, давая MgO. С водой активность различается: магний с холодной водой реагирует очень медленно, а кальций взаимодействует заметнее, выделяя водород. Соляная кислота реагирует с магнием с образованием соли и водорода. В общем случае реакционная способность металлов возрастает вниз по группе, поэтому кальций активнее магния.

Оксиды и гидроксиды при переходе вниз по группе становятся более выраженно основными: бериллий — исключение с амфотерными соединениями, а у тяжёлых элементов основные свойства сильнее. Формулы составляют по зарядам: M²⁺ и O²⁻ дают MO, а M²⁺ и две группы OH⁻ — M(OH)₂. Индекс 2 у группы OH ставят за скобками, потому что повторяется вся группа атомов. Проверка проста: суммарный заряд формульной единицы должен быть равен нулю.

Элементы главной подгруппы II группы и их свойства

Сравнивай элементы в одном ряду таблицы, чтобы увидеть общую закономерность и исключения. Распределение электронов показывает, почему у всех элементов группы два внешних электрона. Данные о воде и кислороде помогают сопоставить общую активность металлов, не забывая об особом поведении бериллия и магния.

Разбор задач

1. Формулы оксида и хлорида кальция

Условие. Составьте формулы оксида и хлорида кальция, если кальций проявляет степень окисления +2. Нужно подобрать такие индексы, чтобы заряды всех частиц взаимно компенсировались. Для этого используем заряд кислорода −2 и хлора −1.

1. Кальцию приписываем заряд +2, кислороду — −2. Один атом каждого элемента даёт суммарный заряд ноль.
2. Записываем формулу оксида как CaO: индексы 1 не пишут.
3. Для хлорида нужны два иона Cl⁻, чтобы уравновесить один ион Ca²⁺.

Ответ: оксид кальция — CaO, хлорид кальция — CaCl₂. Проверка: в каждом соединении сумма зарядов равна нулю. Такой способ подходит и для других соединений металлов со степенью окисления +2.

2. Реакция магния с кислородом

Условие. Запишите уравнение реакции магния с кислородом и расставьте коэффициенты. При реакции металла с кислородом образуется оксид; для магния это MgO. Сначала записываем схему, затем проверяем число атомов слева и справа.

1. Записываем формулы реагентов и продукта: Mg + O₂ → MgO.
2. Слева два атома кислорода, поэтому ставим коэффициент 2 перед MgO.
3. Справа стало два атома магния; ставим коэффициент 2 перед Mg.

Ответ: 2Mg + O₂ → 2MgO. Проверка показывает, что по обе стороны уравнения два атома Mg и два атома O. Коэффициенты изменяют количество частиц, а индексы в формулах веществ оставляют без изменений.

3. Реакции кальция с водой и магния с кислотой

Условие. Составьте уравнения реакций кальция с водой и магния с разбавленной соляной кислотой. В обоих случаях металл вытесняет водород, но продукты зависят от второго реагента. Сначала определим формулы продуктов, затем уравняем схемы.

1. Кальций с водой образует Ca(OH)₂ и H₂: Ca + H₂O → Ca(OH)₂ + H₂.
2. В продукте два атома водорода входят в две группы OH, поэтому ставим коэффициент 2 перед H₂O.
3. Магний с соляной кислотой образует MgCl₂ и H₂: Mg + HCl → MgCl₂ + H₂; для двух атомов хлора ставим коэффициент 2 перед HCl.

Ответ: Ca + 2H₂O → Ca(OH)₂ + H₂; Mg + 2HCl → MgCl₂ + H₂. Образуются гидроксид кальция, хлорид магния и водород. В каждом уравнении проверь число атомов каждого элемента с обеих сторон.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что все элементы группы одинаково быстро реагируют с водой. Сходство положения в таблице не означает одинаковой скорости реакции: активность в целом растёт вниз по группе, а магний с холодной водой реагирует значительно медленнее кальция. Проверяй себя сравнением конкретных металлов и условий реакции. Не переноси наблюдение для кальция на магний без оговорок.

Бериллий иногда без уточнений называют типичным щелочноземельным металлом, потому что он стоит во II группе. Но его малый атомный радиус и амфотерность оксида и гидроксида отличают его от остальных представителей. Чтобы проверить классификацию, сравнивай не только номер группы, но и химические свойства. Обычно к типичным щелочноземельным металлам относят Ca, Sr и Ba.

Число группы нельзя путать с зарядом иона. В простом веществе атом элемента электрически нейтрален, а степень окисления +2 указывают для его соединений; она не означает, что любой атом всегда имеет заряд +2. Проверка: выясни, рассматривается ли простое вещество или соединение. Для Mg в простом веществе степень окисления равна нулю.

При составлении формул легко забыть, что заряд металла +2 должен компенсироваться зарядами других частиц. Поэтому неверно записывать оксид как MO₂ или гидроксид как MOH: правильные общие формулы — MO и M(OH)₂. Индекс 2 относится к целой группе OH, поэтому нужны скобки. Самопроверка — сложить заряды всех ионов и убедиться, что результат равен нулю.

Связь с другими темами

Для понимания группы нужно знать строение атома, энергетические уровни, положение элементов в периодической системе, валентность и степень окисления. Эти знания объясняют, почему атомы группы имеют два внешних электрона и образуют соединения со степенью окисления +2. Тема также опирается на общие свойства металлов и их реакции с кислородом, водой и кислотами. Позже закономерности пригодятся при изучении соединений кальция и магния, жёсткости воды и качественных реакций на ионы.

Что запомнить

• Элементы главной подгруппы II группы имеют два электрона на внешнем энергетическом уровне.
• Для элементов группы характерна степень окисления +2 в соединениях.
• Сверху вниз по группе атомный радиус и химическая активность в общем случае возрастают.
• Бериллий по свойствам отличается от остальных представителей группы.
• Оксиды и гидроксиды металлов группы обычно имеют состав MO и M(OH)₂.
• Кальций реагирует с водой с образованием гидроксида кальция и водорода.